Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền trung có xét thời gian phục vụ

Trang 2 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THU HÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TƯỜNG CHẮN ĐẤT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO PHÙ HỢP VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG CÓ XÉT THỜI GIAN PHỤ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THU HÀ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TƯỜNG CHẮN ĐẤT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO PHÙ HỢP VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG

CÓ XÉT THỜI GIAN PHỤC VỤ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THU HÀ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TƯỜNG CHẮN ĐẤT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO PHÙ HỢP VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG

CÓ XÉT THỜI GIAN PHỤC VỤ

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 9580205

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

1 PGS.TS CHÂU TRƯỜNG LINH

2 GS.TS VŨ ĐÌNH PHỤNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền Trung có xét thời gian phục vụ” là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu sử dụng trong luận án được thu thập từ thực tế và từ các nghiên cứu, thí nghiệm của tôi trong thời gian thực hiện đề tài Tất cả các số liệu trong luận án có tính chính xác, đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng, được xử lý trung thực và khách quan

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc và trích dẫn đầy đủ

Nghiên cứu sinh thực hiện luận án

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thu Hà

LỜI CÁM ƠN Luận án được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Đường ô tô - Đường thành phố, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Châu Trường Linh, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng và GS.TS Vũ Đình Phụng, Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội

Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Châu Trường Linh và GS.TS Vũ Đình Phụng đã tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành nội dung của luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Xây dựng Cầu đường, PGS.TS Phan Cao Thọ, PGS.TS Đỗ Hữu Đạo, TS Hoàng Phương Tùng, TS Nguyễn Văn Tê Rôn và các thầy/cô giáo Bộ môn Đường ô tô - Đường thành phố, Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường

đã dành thời gian đọc và góp ý cho luận án của nghiên cứu sinh, giúp cho nghiên cứu sinh kịp thời bổ sung và hoàn thiện luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về cơ sở vật chất và thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Cầu đường và phòng thí nghiệm Địa cơ thuộc Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; phòng thí nghiệm LAS

XD 123 thuộc Trung tâm nghiên cứu ứng dụng nền móng công trình, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; phòng thí nghiệm LAS XD 1437 thuộc Trung tâm kiểm định công trình và thí nghiệm vật liệu xây dựng Đà Nẵng Nghiên cứu sinh xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình từ các cá nhân, tổ chức đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thu thập số liệu, tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ từ quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Bộ giáo dục đào tạo trong đề tài mã số B2021-DNA-12; Trường Đại học Bách khoa với đề tài mã số T2022-02-21

Nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp là những người luôn

ở bên cạnh, hỗ trợ về mặt tinh thần, chia sẻ với nghiên cứu sinh những lúc khó khăn trong quá trình học tập và nghiên cứu

Một lần nữa, nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn tất cả

NCS Nguyễn Thu Hà

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

7 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.1.1 Quá trình hình thành và phát triển tường chắn đất có cốt 5

1.1.2 Nguyên lý làm việc của tường chắn đất có cốt 6

1.1.3 Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt và ưu - nhược điểm 7

1.1.3.1 Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt 7

1.1.3.2 Ưu - nhược điểm của tường chắn đất có cốt 11

1.1.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về tường chắn đất có cốt 12

1.1.4.1 Hướng nghiên cứu về đặc tính của vật liệu đắp và cốt 12

1.1.4.2 Hướng nghiên cứu sự làm việc của tường trên mô hình thực nghiệm và mô hình số 13

1.1.4.3 Hướng nghiên cứu về ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường 15 1.2 Vật liệu đắp và cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt 17

1.2.1 Vật liệu đắp dùng cho tường chắn đất có cốt 17

1.2.2 Cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt 17

1.3 Nguyên lý thiết kế và trình tự thi công tường chắn đất có cốt 19

1.3.1 Nguyên lý thiết kế tường chắn đất có cốt 19

1.3.1.1 Tuổi thọ làm việc 19

1.3.1.2 Hệ số an toàn 19

1.3.1.3 Kích thước kết cấu 20

1.3.1.4 Ổn định ngoại bộ của kết cấu 21

1.3.1.5 Ổn định nội bộ 22

1.3.1.6 Ổn định tổng thể 23

1.3.2 Trình tự thi công tường chắn đất có cốt 23

1.3.2.1 Chuẩn bị vật tư thiết bị 23

1.3.2.2 Chuẩn bị mặt bằng thi công 24

1.3.2.3 Lắp đặt vỏ tường, hệ thanh chống, rải cốt, nối cốt với vỏ tường và đắp đất 24

1.3.2.4 Thi công phần đỉnh tường, trên đỉnh tường và công tác hoàn thiện 25 1.4 Lý thuyết ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt 25

1.4.1 Lý thuyết ăn mòn cốt 25

1.4.2 Hư hỏng của tường chắn đất có cốt do ăn mòn điện hóa 26

1.4.3 Thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt 28

1.5 Đặc điểm về vật liệu đắp - cốt - môi trường tự nhiên khu vực miền Trung và triển vọng ứng dụng tường chắn đất có cốt dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo 29

1.5.1 Đặc điểm vật liệu đắp trong khu vực miền Trung 29

1.5.2 Nguồn cung cấp vật liệu cốt thép trong khu vực miền Trung 30

1.5.3 Môi trường tự nhiên trong khu vực miền Trung 30

1.5.4 Triển vọng ứng dụng tường MSE dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo 31

1.6 Một số vấn đề tồn tại trong nghiên cứu và ứng dụng tường chắn đất có cốt dùng cốt mạ kẽm 31

1.6.1 Về vật liệu đắp, cốt và sự làm việc của tường 31

1.6.2 Về ăn mòn cốt và tuổi thọ của tường 32

1.7 Nhiệm vụ đặt ra cho luận án 32

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH CỦA CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO VÀ VẬT LIỆU ĐẮP KHU VỰC MIỀN TRUNG 33

2.1 Thí nghiệm đánh giá các đặc tính của cốt mạ kẽm tự chế tạo 33

2.1.1 Giới thiệu về cốt mạ kẽm tự chế tạo 33

2.1.2 Các yêu cầu về cốt mạ kẽm dùng cho tường chắn đất có cốt 34

2.1.3 Thí nghiệm chất lượng kẽm và cốt mạ kẽm 35

2.1.3.1 Mục đích thí nghiệm 35

2.1.3.2 Quá trình thí nghiệm 36

2.1.3.3 Kết quả thí nghiệm 38

2.1.4 Đánh giá chất lượng kẽm và cốt mạ kẽm 39

2.2 Thí nghiệm đánh giá đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung 39

2.2.1 Các mỏ vật liệu đắp khu vực miền Trung 39

2.2.2 Các yêu cầu về vật liệu đắp dùng cho tường chắn đất có cốt 40

2.2.3 Thí nghiệm các đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung 42

2.2.3.1 Mục đích thí nghiệm 42

2.2.3.2 Quá trình thí nghiệm 42

2.2.3.3 Kết quả thí nghiệm 44

2.2.4 Đánh giá đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung 45

2.3 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM TỈ LỆ THỰC 50

3.1 Chuẩn bị xây dựng mô hình thí nghiệm 50

3.1.1 Vị trí xây dựng và đặc điểm địa chất 50

3.1.2 Công nghệ và tiêu chuẩn áp dụng cho mô hình 50

3.1.3 Thiết kế mô hình thí nghiệm và chuẩn bị vật liệu 51

3.1.4 Chuẩn bị thiết bị thi công và thiết bị thí nghiệm 53

3.1.5 Mô hình số mô hình thí nghiệm bằng phần mềm Flac 2D 54

3.1.5.1 Khai báo thông số trong mô hình thí nghiệm vào phần mềm 54

3.1.5.2 Kết quả mô phỏng số mô hình thí nghiệm 55

3.2 Xây dựng mô hình và thí nghiệm quan trắc ứng suất - biến dạng - chuyển vị của tường 56

3.2.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm 56

3.2.2 Lắp đặt các thiết bị đo ứng suất - biến dạng - chuyển vị 57

3.2.2.1 Lắp đặt thiết bị đo áp lực mặt nền 57

3.2.2.2 Lắp đặt thiết bị đo ứng suất - biến dạng trên cốt và trên đất 58

3.2.2.3 Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của tấm tường 59

3.2.2.4 Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của khung vây 60

3.2.3 Thí nghiệm quan trắc ứng suất - biến dạng - chuyển vị của tường 60

3.3 Sự làm việc của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo trên mô hình thí

nghiệm 61

3.3.1 Biến dạng trong các lớp cốt 62

3.3.2 Phân bố lực kéo trong các lớp cốt 66

3.3.3 Tải trọng gây đứt cốt 72

3.3.4 Hiệu quả của ngạnh liên kết 73

3.3.5 Tương tác đất - cốt trong tường 75

3.3.6 Chuyển vị của khối đất có cốt 79

3.3.7 Chuyển vị ngang của tường 82

3.3.8 Mặt phá hoại trong khối đất có cốt 85

3.4 Đề nghị công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt 87

3.4.1 Nhận xét về công thức tính theo lý thuyết 87

3.4.2 So sánh giá trị hệ số ma sát biểu kiến giữa lý thuyết và thực nghiệm 88

3.4.3 Đề nghị công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt 91

3.5 Kết luận chương 3 92

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ ĐOÁN THỜI GIAN PHỤC VỤ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỦA TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO 94

4.1 Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt trong tường chắn đất có cốt theo lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo 94

4.1.1 Lý thuyết ANN, cơ sở dữ liệu và phạm vi áp dụng mô hình 94

4.1.1.1 Lý thuyết mạng nơ ron nhân tạo (ANN) 94

4.1.1.2 Cơ sở dữ liệu 94

4.1.1.3 Phạm vi áp dụng mô hình 97

4.1.2 Đề xuất cấu trúc mạng và kỹ thuật huấn luyện mô hình 98

4.1.2.1 Đề xuất cấu trúc mạng 98

4.1.2.2 Kỹ thuật huấn luyện mô hình 99

4.1.3 Huấn luyện và xác thực mô hình ước lượng 100

4.1.4 Phân tích và đánh giá mô hình ước lượng 102

4.1.4.1 Phân tích và đánh giá thông qua hiệu suất mô hình 102

4.1.4.2 Phân tích và đánh giá thông qua độ nhạy của mô hình 104

4.2 Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ của tường chắn đất có

cốt mạ kẽm 105

4.2.1 Mục đích xây dựng chương trình, phạm vi và tiêu chuẩn áp dụng 105

4.2.2 Xây dựng chương trình MSE-ANT dự đoán thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt mạ kẽm 106

4.2.2.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 106

4.2.2.2 Chức năng của chương trình 106

4.2.2.3 Sơ đồ khối tổng quát của chương trình 107

4.2.2.4 Cơ sở dữ liệu và tổ chức giao diện của chương trình 108

4.2.3 Đánh giá tính năng của chương trình 111

4.3 Đánh giá hiệu quả ứng dụng của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo 112

4.3.1 Sự làm việc theo thời gian của tường MSE trong mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực thông qua chương trình MSE-ANT 112

4.3.1.1 Dự đoán thời gian phục vụ của tường 112

4.3.1.2 Chiều dày tối ưu của cốt 114

4.3.1.3 Đánh giá sự phù hợp của vật liệu đắp khu vực miền Trung 115

4.3.2 Ứng dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo nghiên cứu ổn định và giá thành xây dựng của tường chắn tại nút giao thông cầu vượt Trần Thị Lý - Đà Nẵng 117

4.3.2.1 Giới thiệu đoạn tường MSE trong nghiên cứu 117

4.3.2.2 Tính hệ số ổn định, lực kéo trong cốt và chuyển vị ngang của tường 118

4.3.2.3 Tính toán giá thành xây dựng tường 121

4.3.2.4 Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo 123

4.4 Kết luận chương 4 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

Những kết quả đạt được của luận án……… 125

Những đóng góp mới của luận án……… 127

Hạn chế của luận án……… 127

Kiến nghị hướng phát triển của luận án……… 127

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUANĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu tạo tường chắn đất có cốt [4] 6

Hình 1.2 Cơ chế tương tác giữa vật liệu đắp với cốt (dạng dải) 7

Hình 1.3 Tường chắn đất có cốt đầu tiên được thử nghiệm và ứng dụng 8

Hình 1.4 Tường MSE trong xây dựng công trình giao thông đường bộ 9

Hình 1.5 Tường MSE trong công trình ven bờ, cảng biển, đập chứa nước 9

Hình 1.6 Tường MSE trong xây dựng công trình dân dụng, sân bay 9

Hình 1.7 Tường MSE trong xây dựng cầu đường bộ ở Việt Nam 10

Hình 1.8 Tường MSE chống sụt trượt cho các mái dốc cao 10

Hình 1.9 Cốt kim loại trong tường MSE 18

Hình 1.10 Qui ước các kích thước trong tường MSE 20

Hình 1.11 Dạng mặt phá hoại tường 22

Hình 1.12 Trượt tổng thể của tường MSE 23

Hình 1.13 Lắp đặt vỏ tường [2] 24

Hình 1.14 Lắp đặt cốt [2] 25

Hình 1.15 Sự ăn mòn điện hóa trong tự nhiên [28] 26

Hình 1.16 Cốt kim loại trong tường MSE bị ăn mòn [5] 26

Hình 1.17 Cốt thép bị ăn mòn cục bộ [5, 44] 27

Hình 2.1 Thiết kế lưới cốt tự chế tạo 33

Hình 2.2 Mẫu cốt thí nghiệm kéo 36

Hình 2.3 Mẫu cốt trước và sau khi mạ kẽm 37

Hình 2.4 Biểu đồ tương quan giữa khả năng chịu kéo của cốt với tỉ lệ ăn mòn 39

Hình 2.5 Lấy mẫu đất tại các mỏ và vận chuyển về phòng thí nghiệm 42

Hình 2.6 Một số hình ảnh thí nghiệm đặc tính của vật liệu đắp có cốt 43

Hình 3.1 Mặt cắt ngang tường chắn đất có cốt trong mô hình thí nghiệm 51

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm 3D 52

Hình 3.3 Khoan chiết giảm tiết diện ngang của cốt 53

Hình 3.4 Mô phỏng hình học mô hình thực nghiệm bằng Flac 2D 54

Hình 3.5 Biểu đồ từ mô phỏng số mô hình 3 (F65) khi chưa gia tải 55

Hình 3.6 Biểu đồ từ mô phỏng số mô hình 3 (F65) khi gia tải 300 kN/m2 56

Hình 3.7 Xây dựng mô hình thí nghiệm 57

Hình 3.8 Lắp đặt thiết bị đo áp lực mặt nền 58

Hình 3.9 Lắp đặt cảm biến trên cốt 58

Hình 3.10 Chuẩn bị dán cảm biến trên mặt nền 59

Hình 3.11 Kết nối cảm biến trên cốt và trên mặt nền với thiết bị đo 59

Hình 3.12 Lắp đặt các LVDT vào đỉnh các tấm tường 59

Hình 3.13 Lắp đặt các thiên phân kế đo chuyển vị của khung vây 60

Hình 3.14 Mô hình hoàn chỉnh và tiến hành thí nghiệm 61

Hình 3.15 Bố trí cảm biến trên cốt trong các mô hình thí nghiệm 62

Hình 3.16 Biến dạng trong các lớp cốt dưới tác dụng của tải trọng (mô hình 3) 65

Hình 3.17 Biến dạng trong lớp cốt 4 dưới các cấp tải trọng 66

Hình 3.18 Lực kéo phân bố trong các lớp cốt của mô hình 3 (F65) 68

Hình 3.19 So sánh phân bố lực kéo trong các lớp cốt (mô hình 3) 69

Hình 3.20 Phân bố lực kéo trong lớp cốt 4 dưới các cấp tải trọng 70

Hình 3.21 Phân bố lực kéo trong lớp cốt 4 trên các mô hình thí nghiệm 71

Hình 3.22 So sánh dạng biểu đồ phân bố lực kéo trong cốt 72

Hình 3.23 Phân bố lực kéo trong cốt có ngạnh và cốt không ngạnh 74

Hình 3.24 Hệ số ma sát biểu kiến giữa đất - cốt (mô hình 3) 77

Hình 3.25 So sánh hệ số ma sát biểu kiến giữa đất - cốt trong các lớp cốt 77

Hình 3.26 Hệ số ma sát biểu kiến giữa đất - cốt trong lớp cốt 4 trên ba mô hình 78

Hình 3.27 Chuyển vị trong khối đất có cốt (mô hình 3) 80

Hình 3.28 So sánh chuyển vị trong đất tại cao độ các lớp cốt (mô hình 3) 81

Hình 3.29 Chuyển vị ngang của tường trong các mô hình thí nghiệm 82

Hình 3.30 So sánh chuyển vị ngang của tường giữa các mô hình thí nghiệm 84

Hình 3.31 Chuyển vị ngang của tường theo độ sâu 85

Hình 3.32 Mặt phá hoại trong khối đất có cốt 86

Hình 3.33 Đường xu hướng của mặt phá hoại trong khối đất có cốt 87

Hình 3.34 Hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất theo độ sâu tường (mô hình 3) 88

Hình 3.35 Hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt theo độ sâu tường 89

Hình 3.36 So sánh hệ số ma sát giữa thực nghiệm và lý thuyết 91

Hình 4.1 Biểu đồ biểu diễn tương quan từng cặp tham số của tập dữ liệu 96

Hình 4.2 Cấu trúc ANN đề xuất trong nghiên cứu này 98

Hình 4.3 Khảo sát tính năng của mô hình ANN theo số lượng nơ-ron 101

Hình 4.4 Giá trị của hàm mất mát qua các vòng lặp 102

Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa chiều dày ăn mòn ước lượng và chiều dày ăn mòn thực tế trên các tập dữ liệu của phương án chọn 103

Hình 4.6 Biểu đồ tầm quan trọng tương đối của các biến đầu vào 105

Hình 4.7 Sơ đồ khối tổng quát của chương trình MSE-ANT 108

Hình 4.8 Giao diện nhập dữ liệu và hiển thị kết quả 111

Hình 4.9 Dự đoán thời gian phục vụ của tường MSE có cốt mạ kẽm tự chế tạo 113

Hình 4.10 Đánh giá sự phù hợp của vật liệu đắp và đề xuất giải pháp sử dụng 116

Hình 4.11 Mặt đứng bố trí dải cốt polymeric cho tường cao 4 m 117

Hình 4.12 Mô phỏng hình học tường MSE cao 4 m 118

Hình 4.13 Cốt tự chế tạo (bố trí ở hai lớp cốt dưới L = 3,8 m) 118

Hình 4.14 Hệ số ổn định của tường sau khi xây dựng từ mô phỏng số Flac 119

Hình 4.15 Hệ số ổn định của tường khi gia tải 400 kN/m2 từ mô phỏng số Flac 119

Hình 4.16 Biểu đồ phân bố lực kéo trong lớp cốt dưới cùng (sau khi xây dựng) 120 Hình 4.17 Biểu đồ phân bố lực kéo trong lớp cốt trên cùng (gia tải 400 kN/m2) 120 Hình 4.18 Chuyển vị ngang của tường sau khi xây dựng từ mô phỏng số Flac 120

Hình 4.19 Chuyển vị ngang của tường khi gia tải 400 kN/m2 từ mô phỏng số Flac 121

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Qui định về tuổi thọ của công trình sử dụng kết cấu tường MSE 19

Bảng 1.2 Qui định về chiều sâu chôn tường tối thiểu Dm [1, 7] 20

Bảng 1.3 Dự báo mức độ an toàn của kết cấu tường MSE theo Fres [4] 28

Bảng 1.4 Giá trị của A, n phụ thuộc vào loại cốt [2, 40] 29

Bảng 1.5 Giá trị bề dày tổn thất trung bình Δe 29

Bảng 2.1 Đặc trưng của vật liệu dùng làm cốt kim loại [7] 34

Bảng 2.2 Chiều dày dự phòng cho phép trên mỗi bề mặt [7] 34

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của kẽm dùng làm lớp phủ [46, 47] 35

Bảng 2.4 Hàm lượng kẽm tối thiểu dùng làm lớp phủ 35

Bảng 2.5 Chiều dày của lớp phủ kẽm nhỏ nhất trên mẫu (không quay ly tâm) 35

Bảng 2.6 Giá trị trung bình về các chỉ tiêu cơ lý của tổ mẫu cốt thí nghiệm 38

Bảng 2.7 Thành phần hóa học của kẽm dùng làm lớp phủ cho cốt 38

Bảng 2.8 Chiều dày của lớp phủ kẽm trên các mẫu thử 38

Bảng 2.9 Các mỏ đất dùng làm vật liệu san lấp tại khu vực miền Trung, giai đoạn 2020, tầm nhìn đến 2025 và 2030 40

Bảng 2.10 Tổng hợp số mỏ đất được thí nghiệm 40

Bảng 2.11 Đặc tính của vật liệu đắp dùng cho tường MSE 41

Bảng 2.12 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ-lý-hóa các mẫu đất đồi tại Đà Nẵng 44

Bảng 2.13 Kết quả thí nghiệm thành phần hạt các mẫu đất đồi tại Đà Nẵng 44

Bảng 2.14 Đề xuất thang điểm đánh giá mức độ đạt yêu cầu đối với đất đồi miền Trung dùng làm vật liệu đắp có cốt 46

Bảng 2.15 Phân nhóm và đánh giá sự phù hợp của đất đồi miền Trung dùng làm vật liệu đắp có cốt 47

Bảng 2.16 Mức độ phù hợp của đất đồi Đà Nẵng dùng làm vật liệu đắp có cốt 47

Bảng 3.1 Chiết giảm diện tích tiết diện ngang cốt 52

Bảng 3.2 Vị trí bố trí cảm biến trên cốt, trong nền đất và tấm tường 61

Bảng 3.3 Giá trị trung bình của tỉ lệ tăng trưởng lực kéo do ngạnh 73

Bảng 3.4 Tăng trưởng lực kéo trong cốt do bố trí ngạnh 75

Bảng 3.5 Chuyển vị trong khối đất có cốt 81

Bảng 3.6 Chuyển vị ngang của tường trong các mô hình thí nghiệm 83

Bảng 3.7 Chiều dài của cốt gia cường trong vùng phá hoại và vùng neo giữ 86

Bảng 3.8 Hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất trong các lớp cốt (mô hình 3) 89

Bảng 4.1 Các tham số thống kê của dữ liệu đầu vào và đầu ra 96

Bảng 4.2 Giá trị nhỏ nhất, lớn nhất của các tham số vật liệu đắp khu vực miền Trung Việt Nam và vật liệu đắp tại Pháp trong cơ sở dữ liệu 97

Bảng 4.3 Kết quả phân tích các tham số tối ưu cho mô hình ANN 102

Bảng 4.4 Giá trị của các tham số đánh giá hiệu suất mô hình ước lượng 103

Bảng 4.5 Tầm quan trọng tương đối của các biến đầu vào 104

Bảng 4.6 Giá trị ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường tương ứng các giá trị lực kéo còn lại trong cốt 109

Bảng 4.7 Đề xuất các kịch bản ăn mòn gây phá hoại tường chắn đất có cốt 109

Bảng 4.8 Thông số đặc tính của vật liệu đắp và cốt sử dụng trong tường 112

Bảng 4.9 Ước lượng chiều dày ăn mòn cốt và tính lực kéo còn lại trong cốt 114

Bảng 4.10 Dự đoán thời gian phục vụ của tường MSE 114

Bảng 4.11 Chiều dày tối thiểu của cốt tự chế tạo tương ứng tuổi thọ thiết kế 115

Bảng 4.12 Đường kính tối thiểu của cốt tự chế tạo tương ứng tuổi thọ thiết kế 115

Bảng 4.13 Tổng hợp hệ số ổn định, lực kéo trong cốt và chuyển vị ngang của tường trong 4 trường hợp sử dụng cốt khác nhau 121

Bảng 4.14 Đơn giá của 4 loại cốt 122

Bảng 4.15 Bảng chi phí xây dựng tường MSE đối với mố 1 và mố 2 122

Bảng 4.16 Chênh lệch chi phí giữa các loại cốt với cốt mạ kẽm tự chế tạo 123

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tường MSE Tường chắn đất có cốt (Mechanically stabilized earth walls)

GSG Cốt mạ kẽm (galvanized steel grid)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN Tiêu chuẩn ngành

AASHTO Tiêu chuẩn AASHTO (Standard by American Association of State

and Highway Transportation Officials) ASTM Tiêu chuẩn Mỹ (American Society for Testing and Materials)

FHWA-NHI Qui trình Mỹ (Department of Transportation Federal Highway

Administration-National Highway Institute Office of Bridge Technology)

BS Tiêu chuẩn Anh Quốc (British Standards)

AFNOR Tiêu chuẩn Pháp (Association Française de Normalisation)

EN Tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode Standard by the European Committee)

JSA Tiêu chuẩn Nhật (Japanese Standards Association)

AS / NZS Tiêu chuẩn Úc và tiêu chuẩn New Zealand

ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tết (International Organization for

Standardization) LAS Phòng thí nghiệm chuyên ngành Xây dựng (Laboratory

Accreditation Scheme) BTCT Bê tông cốt thép

LVDT Cảm biến dịch chuyển vị trí (Linear Variable Differential Transformer)

ANN Mạng nơ - ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN)

COR Giá trị ăn mòn cốt trong tường chắn đất có cốt (Corrosion Of

Reinforcement) RMSE Sai số trung bình bình phương gốc (Root Mean Squared Error) MSE Sai số toàn phương trung bình (Mean Squared Error)

MSE-ANT Phần mềm tính toán thời gian phục vụ của tường chắn đất có cốt

(Mechanically Stabilized Earth Walls-Artificial Neural Service Time)

Network-FDM Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM)

b mm Chiều rộng trung bình của cốt

E0 mm Chiều dày trung bình của cốt

Δe µm Giá trị ăn mòn cốt trong tường chắn đất có cốt

t' năm Thời gian phục vụ của tường chắn có cốt

A, n - Hệ số phụ thuộc môi trường

Fres N Lực kéo còn lại trong cốt

e'0 mm Chiều dày tối thiểu của cốt

CT5 - Cốt thép vằn (cách phân loại của nước Nga, Việt Nam

là CT51)

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tường chắn đất có cốt là một trong những loại tường chắn được xây dựng để giữ ổn định đất ở sau tường, viết tắt là tường MSE (Mechanically stabilized earth walls) Loại tường này bắt đầu được sử dụng ở Pháp từ thập niên 60, sau đó được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng ở nhiều nước trên thế giới [1, 2] Tường MSE thường được sử dụng nhiều để gia cố các mái dốc, đặc biệt là các mái dốc đứng và sử dụng cho nền đường đắp cao Tường chắn đất có cốt có kết cấu hợp lý, tuổi thọ cao, phù hợp với các công trình chịu tải trọng động, giảm độ lún không đều với các công trình xây dựng trên nền đất yếu, giảm diện tích chiếm dụng đất và đặc biệt giảm chi phí xây dựng từ 25% đến 50% so với việc dùng các tường chắn bê tông cốt thép thông thường [2, 3]

Hiện nay, khi xây dựng các kết cấu tường MSE, cốt phải nhập từ nước ngoài với chi phí cao do nhà cung cấp yêu cầu được tham gia thiết kế, thi công để lấy phí bản quyền Trong khi đó, miền Trung Việt Nam có nguồn cung cấp vật liệu cốt thép

mạ kẽm dồi dào, phong phú về chủng loại và đạt các yêu cầu về chỉ tiêu cơ học đối với cốt cứng dùng cho tường MSE Với vật liệu cốt thép xây dựng sẵn có này sẽ dễ dàng chế tạo lưới cốt, dễ thi công và có thể sử dụng thiết bị, nhân lực sẵn có để thi công kết cấu tường MSE Vì vậy, nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng công trình, góp phần thúc đẩy khả năng tự chủ về công nghệ xây dựng, sự phát triển của các doanh nghiệp trong nước và giảm sự ăn mòn cốt trong tường, nghiên cứu đề xuất sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo làm cốt cho tường MSE

Bên cạnh đó, miền Trung Việt Nam là khu vực có diện tích và trữ lượng đất đồi lớn, có thể sử dụng làm vật liệu đắp có cốt cho các công trình xây dựng Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đánh giá nào về vật liệu đắp có cốt ở khu vực miền Trung Nghiên cứu này lựa chọn mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực để nghiên cứu sự làm việc của kết cấu tường MSE sử dụng vật liệu địa phương bao gồm đất đồi khu vực miền Trung và cốt thép mạ kẽm tự chế tạo nhằm định hướng ứng dụng vào thực tế

Đối với tường MSE sử dụng cốt kim loại thì vật liệu đắp, cốt và điều kiện môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến ăn mòn cốt làm giảm thời gian phục vụ của tường [4, 5] Bài toán ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường MSE là bài toán

dữ liệu lớn, các biến có mối quan hệ phức tạp (tính phi tuyến cao) Các nghiên cứu đánh giá trước đây về bài toán này theo lý thuyết ANN (Artificial Neural Network) chưa được áp dụng nhiều, trong khi đó ANN là công cụ để mô hình hóa dữ liệu thống kê phi tuyến với nhiều ưu điểm vượt trội Vì vậy, trong nghiên cứu này dùng

lý thuyết ANN để dự báo thời gian phục vụ của tường nhằm giúp chúng ta có những biện pháp cảnh báo hoặc duy tu, sửa chữa nhỏ hay sửa chữa lớn khi tường đã hết thời gian phục vụ để tránh những sự cố công trình đáng tiếc xảy ra

Với những lý do trên đã hình thành luận án ‘‘Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền Trung

có xét thời gian phục vụ’’

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chung: Thúc đẩy khả năng tự chủ về công nghệ, tăng khả năng sử dụng vật liệu cốt thép của các doanh nghiệp địa phương để giảm chi phí xây dựng và kiểm soát được ổn định cũng như thời gian phục vụ của tường MSE

Mục tiêu cụ thể:

- Nghiên cứu chế tạo cốt đủ cường độ và chống ăn mòn;

- Nghiên cứu vật liệu đắp phù hợp với cốt tự chế tạo;

- Thí nghiệm trên mô hình tỉ lệ thực (full scale model), nghiên cứu sự làm việc của tường MSE có cốt bị ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng cho đến phá hoại tường;

- Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt trong tường;

- Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ của tường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tường chắn đất có cốt kim loại liên kết bản mặt bê tông Phạm vi nghiên cứu:

- Cốt là cốt thép mạ kẽm từ thép xây dựng thông thường

- Vật liệu đắp địa phương trong khu vực miền Trung

- Tấm tường là bản mặt bê tông cốt thép chế tạo sẵn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết (nghiên cứu tài liệu về cơ sở lý thuyết liên quan đến tính toán, thiết kế, thi công tường MSE; các thành tựu, kết quả lý thuyết đạt được, chủ trương chính sách liên quan đến tường MSE đã công bố);

- Phương pháp thực nghiệm khoa học (thực nghiệm trong phòng kết hợp hiện trường áp dụng cho tính chất của vật liệu đất - cốt; thực nghiệm trên mô hình tỉ lệ thực có sử dụng các thiết bị đo ứng suất - biến dạng, chuyển vị cho hệ tường - đất - cốt và kiểm chứng kết quả với mô hình số);

- Phương pháp thu thập dữ liệu từ các nghiên cứu có trước (thu thập dữ liệu các tính chất lý hóa của vật liệu đắp và tính chất của cốt trong tường MSE bị ăn mòn);

- Phương pháp xử lý dữ liệu (xử lý dữ liệu bằng phân tích thống kê để loại bỏ các mẫu không đầy đủ hoặc mẫu gây nhiễu, chuẩn hóa dữ liệu);

- Phương pháp phân tích, đánh giá và tổng kết kinh nghiệm (phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết; đánh giá mức độ khả quan để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn; phân tích dữ liệu để xây dựng mô hình ước lượng, đánh giá hiệu suất của mô hình)

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về vật liệu đắp và cốt kim loại, tương tác đất - cốt trong tường, nguyên lý thuyết kế và trình tự thi công, lý thuyết ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường, sơ lược về đặc điểm vật liệu đắp - cốt - môi trường tự nhiên khu vực miền Trung và triển vọng ứng dụng tường MSE dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc tính của cốt mạ kẽm tự chế tạo và đặc tính của vật liệu đắp khu vực miền Trung

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo với tỉ lệ thực và đánh giá sự làm việc của tường thông qua kết quả quan trắc ứng suất - biến dạng - chuyển vị

- Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt, xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ của tường MSE, ứng dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo vào tường chắn nút giao thông cầu vượt của công trình thực tế để đánh giá ổn định và giá thành xây dựng công trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Luận án góp phần làm phong phú thêm cơ sở khoa học lý thuyết, cung cấp thang đánh giá sự phù hợp của cấp phối đất tự nhiên khu vực miền Trung sử dụng làm vật liệu đắp có cốt Luận án cũng bổ sung thêm kết quả nghiên cứu cho khoa học thực nghiệm bao gồm bảng giá trị chỉ tiêu cơ - lý - hóa của 75 mỏ cấp phối đất tự nhiên khu vực miền Trung, công thức thực nghiệm xác định hệ số

ma sát biểu kiến lớn nhất giữa đất - cốt khi sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo, sự làm việc của tường MSE có cốt tự chế tạo bị ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng cho đến phá hoại tường trong mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực

- Ý nghĩa thực tiễn: Cốt mạ kẽm tự chế tạo có ngạnh liên kết mà luận án đã nghiên cứu có triển vọng ứng dụng vào thực tiễn xây dựng các kết cấu tường MSE ở Việt Nam nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng công trình Bên cạnh đó, mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt và chương trình MSE-ANT dự báo thời gian phục vụ của tường là những công cụ giúp các nhà tư vấn thiết kế và các nhà nghiên cứu ứng dụng để tính toán thiết kế các kết cấu tường MSE trong thực tiễn

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mục lục, danh mục các bảng, danh mục các hình vẽ và đồ thị, danh mục các chữ viết tắt, danh mục các kí hiệu, các công trình khoa học đã công

bố, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm 127 trang được bố cục như sau:

- Mở đầu:

- Chương 1: Tổng quan về tường chắn đất có cốt

- Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính của cốt mạ kẽm tự chế tạo và vật liệu đắp khu vực miền Trung

- Chương 3: Nghiên cứu sự làm việc của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo trên mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực

- Chương 4: Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ và đánh giá hiệu quả ứng dụng của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Quá trình hình thành và phát triển tường chắn đất có cốt

Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp do đất và cốt tạo ra có khả năng chịu được lực kéo [1] Vật liệu cốt rất đa dạng, từ xa xưa loài người đã biết dùng nhiều loại cốt khác nhau để cải thiện tính chất của đất xây dựng như dùng rơm, các thanh tre, nứa trộn với đất làm tấm vách nhà Thế kỷ thứ 17, 18 con người đã dùng các thanh cứng như củi, que, gậy.v.v để cải thiện tính chất của nền đất bùn cho các đê, đập dọc theo vịnh Fundy ở Canada Những năm 1880, người Trung Quốc đã dùng cành cây để gia cường đất (phần phía tây của Vạn Lý Trường Thành và dọc theo sông Mississippi) Ở Anh, người ta đã dùng gỗ, tre hoặc lưới thép để chống xói mòn

kè, đê, đập hoặc có thể dùng rễ cây sống để cải thiện tính chất của đất Ngoài ra, còn có nhiều công trình đất có cốt được xây dựng từ lâu như các thánh điện, tháp cổ

ở Ai cập Công trình đất có cốt xây dựng sớm nhất có thể kể đến là tường chắn cho kim tự tháp Ziggurat ở Irắc, cốt được dùng là những thảm đan các cây sậy được đặt nằm ngang trong các lớp đất cát và sỏi sạn Tại thời điểm đó, kỹ thuật gia cố đất còn thô sơ, mang tính chất kinh nghiệm dân gian [2]

Tường chắn đất có cốt thực sự ra đời vào năm 1963 khi kỹ sư Henri Vidal đề xuất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng công trình [1] Năm 1965, ông thiết kế và xây dựng tường MSE thử nghiệm đầu tiên tại Pyrenees sử dụng vật liệu đắp là loại đất rời rạc ít dính, cốt là dải kim loại mỏng và vỏ mặt tường bao bằng kim loại Năm 1976, tường MSE đầu tiên được xây dựng trên đường cao tốc A13 ở Pháp có chiều cao 10 m, rộng 10 m và dài 50 m [4]

Ở Việt Nam, tường MSE cũng được các nhà khoa học tiếp cận từ rất sớm Năm 1968, giáo sư Đặng Hữu đã viết tài liệu đầu tiên về nguyên lý đất có cốt và tổ chức nghiên cứu, kiểm nghiệm lại nguyên lý này bằng thiết bị nén 3 trục [1] Những năm 1970, các chuyên gia của trường Đại học xây dựng, Viện khoa học công nghệ

giao thông vận tải, trường Đại học giao thông vận tải kết hợp với chuyên gia Nguyễn Thành Long (tại Pháp) nghiên cứu tiếp cận lý thuyết về tường MSE Nhóm

đã tiến hành thực nghiệm đo ứng suất, biến dạng phát sinh trên mô hình trong phòng và đồng thời tiến hành xây dựng thí điểm tường cao 3m ngoài thực địa nhằm thử nghiệm công nghệ thi công và đánh giá ăn mòn cốt trong đất [1]

Những năm sau, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ đất có cốt và tường MSE đã được các Viện nghiên cứu, áp dụng và phát triển nhanh chóng

ở nhiều nước trên thế giới Các loại cốt được nghiên cứu và sử dụng bao gồm cốt kim loại, cốt kim loại mạ kẽm, thép không gỉ hoặc vật liệu tổng hợp có cường độ cao như vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật Hình dạng của cốt có thể là dạng sợi, dải mỏng, lưới ô vuông hoặc dạng tấm mỏng Hiện nay, tường MSE được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới bao gồm tường chắn nền đường ô tô, đường sắt, mố cầu, nền đường đắp cao, đê, kè ven sông, kè ven biển.v.v

1.1.2 Nguyên lý làm việc của tường chắn đất có cốt

Tường chắn đất có cốt là kết cấu tổ hợp vừa chống đỡ bên ngoài vừa giữ ổn định bên trong Mặt bên ngoài của kết cấu có vỏ bao (vỏ tường hay tấm tường) để bảo vệ bề mặt chống những hư hại từ các tác nhân bên ngoài và chống sạt lở đất trong phạm vi giữa các lớp cốt Phía bên trong của kết cấu là đất có cốt, nhờ vào tương tác giữa đất - cốt mà khối đất chịu được tải trọng thẳng đứng tác dụng và hạn chế nở hông [1, 4]

Hình 1.1 Cấu tạo tường chắn đất có cốt [4]

Khối đất trong tường chịu nén theo phương thẳng đứng, nếu không có cốt, đất sẽ bị phá hoại vì nở hông tự do Nhưng nếu bố trí cốt và giả thiết giữa đất và cốt

có đủ sức neo bám cần thiết thì khi chịu nén, đất và cốt sẽ cùng tham gia chịu lực

Do đó, khối đất xem như chịu nén ba trục có hạn chế nở hông với trị số áp lực hông chính là do cốt tác dụng vào đất thông qua tương tác giữa đất - cốt [5, 6]

Tương tác giữa đất - cốt hay sức neo bám giữa đất - cốt chính là sức cản do lực ma sát giữa đất với bề mặt cốt, sức kháng bị động của đất tại các phần tử chịu tải của cốt và chuyển vị uốn của cốt Tương tác này phụ thuộc vào loại cốt, cấu tạo, hình dạng cốt và loại vật liệu đắp, thành phần cấp phối, độ ẩm, sức kháng cắt của vật liệu đắp [2, 6, 7] Cơ chế tương tác đất - cốt thể hiện chủ yếu thông qua ma sát giữa đất - cốt và lực kéo trong cốt [1, 8] và được mô tả như hình 1.2

Hình 1.2 Cơ chế tương tác giữa vật liệu đắp với cốt (dạng dải)

Nguyên lý làm việc của tường MSE dựa trên nguyên lý đất có cốt đó là: cốt với vai trò hạn chế khối đất nở ngang, chuyển hóa áp lực thẳng đứng lên khối đất thành lực kéo trong cốt thông qua tương tác giữa đất - cốt

1.1.3 Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt và ưu - nhược điểm

1.1.3.1 Các ứng dụng của tường chắn đất có cốt

Những năm đầu của thập niên 60, tường MSE mới được nghiên cứu, tính toán và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng như xây dựng công trình giao thông vận tải (mố cầu, đường sắt, nền đường đắp cao trên đất yếu, công trình sân bay), công trình ven bờ, cảng biển, đập đất chứa nước, công trình dân dụng.v.v…

Năm 1965, tường chắn thử nghiệm đầu tiên về đất có cốt được xây dựng ở Pháp do kỹ sư Henri Vidal đề xuất thiết kế Năm 1967, xây dựng tường MSE đầu

tiên trên đường cao tốc A13 ở Pháp Từ năm 1968 đến 1970, có khoảng 10 công trình đất có cốt tại Pháp được xây dựng như tường MSE sử dụng cho đường ô tô từ Roquebrune đi Menton, tường MSE xây dựng ở công trình cảng Dunkerque, ụ tàu ở Strasbourg, tường cảng ở Boulogne, La Grand Motte.v.v… [4]

a Tường thử nghiệm đầu tiên ở Pháp; b Tường Incarville trên cao tốc A13

Hình 1.3 Tường chắn đất có cốt đầu tiên được thử nghiệm và ứng dụng Năm 1971 đánh dấu bước phát triển của tường MSE khi bắt đầu sử dụng bê tông cốt thép làm vỏ tường với các hình dạng khác nhau và tạo mỹ thuật trên bề mặt tường Năm 1972, hàng loạt các tường MSE được xây dựng trên thế giới Ở Pakistan, xây dựng tường MSE với vách thẳng đứng cao 40 m Ở Pháp, ứng dụng công nghệ này vào thi công các mố cầu chịu nén lệch tâm (mố cầu Thionville cao

12 m, chịu tải trọng từ gối cầu truyền xuống tới 750 tấn và độ lún định trước là 20 cm) Ở Anh, tường MSE cũng được ứng dụng cho nhiều công trình như tường chắn đất nền đường cải tạo xa lộ M25 tại Epping-Luân Đôn Ở Mỹ, nhiều tường MSE sử dụng cốt là lưới địa kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong các dự án mở rộng xa lộ xuyên bang I75 tại bang Florida, dự án xây dựng đại lộ Tanque Verde thành phố Tucson bang Arizona, dự án xây dựng tường chắn và đại lộ có nhiều đường giao, dự

án Lithonia bang Georgia Ở Nhật, đất có cốt được ứng dụng phổ biến, đặc biệt là trong ngành đường sắt Các nước khác trong khu vực Đông Nam Á cũng ứng dụng loại kết cấu này rất phổ biến như ở Singapore, Malaysia, Hồng Kông, Đài Loan, Indonesia, Thái Lan, Philippines, Brunei.v.v…[1, 2, 4, 5]

Do yêu cầu cấp thiết của xã hội về phát triển cơ sở hạ tầng, công nghệ tường MSE phát triển nhanh, có mặt ở nhiều nước trên thế giới Thống kê của tập đoàn

Terre-Armée, năm 2016 có hơn 50.000 công trình được xây dựng (hơn 40.000.000

m2 tường), gồm hơn 10.000 công trình sử dụng cho mố cầu [5] Hiện nay, các công trình trên thế giới sử dụng kết cấu tường MSE đã tăng lên nhiều lần

a Bờ biển ở Mỹ; b Đập Taylor Draw ở Mỹ

Hình 1.5 Tường MSE trong công trình ven bờ, cảng biển, đập chứa nước

a Sân bay Seattle - Tacoma ở Mỹ; b Nhà dân dụng

Hình 1.6 Tường MSE trong xây dựng công trình dân dụng, sân bay

Ở Việt Nam, tháng 6-1973 mô hình thí điểm về tường chắn có cốt cao 4,25

m đã được xây dựng trên đoạn đường dẫn từ Đê La Thành xuống 1 khu tập thể gần Cầu Giấy (Hà Nội) Năm 1999, tường MSE được sử dụng cho nền đường đắp lên

cầu (mố cầu) Mẹt (Lạng Sơn) thuộc dự án nâng cấp các cầu trên quốc lộ 1 (QL1) và năm 2000 kết cấu này được áp dụng đối với cầu Phố Mới (Lào Cai)

Từ năm 2000 đến nay, cùng với các dự án xây dựng mới và khôi phục cầu đường, các công trình đất có cốt đã tìm được chỗ ứng dụng và ngày càng được sử dụng nhiều Một số công trình tường MSE được xây dựng như: tường MSE ở đường dẫn hai đầu cầu vượt Lạch Tray (Hải Phòng) thuộc dự án nâng cấp cải tạo QL5; tường MSE ở dự án nâng cấp cải tạo QL1 đoạn qua Khánh Hòa; tường MSE tại đường dẫn hai đầu cầu vượt Sóng Thần (ở Km 7) thuộc dự án đường Xuyên Á Các dự án đường cao tốc Hà Nội - Lào Cai, Pháp Vân - Cầu Giẽ, Đà Nẵng - Quảng Ngãi.v.v…cũng sử dụng tường MSE cho nhiều đoạn đường đầu cầu Ngoài ra, tường MSE cũng được sử dụng cho nền đường đắp cao với mái dốc lớn như: dự án đường Hồ Chí Minh; xử lý sụt trượt mái dốc Đồi Ba Đèo - Hạ Long; đồi Monaco Hill - Hạ Long; chùa Dạm - Bắc Ninh.v.v

a Cầu Nguyễn Tri Phương - Đà Nẵng; b Cầu Ngã Tư Sở - Hà Nội

Hình 1.7 Tường MSE trong xây dựng cầu đường bộ ở Việt Nam

a Monaco Hill - Hạ Long; b Đồi Ba Đèo

Hình 1.8 Tường MSE chống sụt trượt cho các mái dốc cao

Tại các nút giao thông trong thành phố lớn, tường MSE được ứng dụng nhiều, sử dụng làm tường chắn mố cầu đối với những đoạn đường dẫn lên cầu cần

đắp cao và sử dụng làm tường chắn những đoạn hầm chui như: đường dẫn lên đầu cầu vượt Ngã Tư Vọng - Hà Nội; cầu vượt Hoàng Hoa Thám - Đội Cấn; cầu cạn vành đai 2 qua đường Trường Chinh; cầu cạn Mai Dịch - Nam Thăng Long (đường Phạm Văn Đồng mở rộng); cầu vượt đường sắt thuộc dự án đường trục nam Hà Tây; cầu Chữ Y, cầu Chà Và, cầu Rạch Cây, cầu Nước Lên.v.v…

Ở Đà Nẵng, tường MSE đã được sử dụng tại đoạn đường dẫn đầu cầu Nguyễn Tri Phương, cầu vượt Hòa Cầm và cầu Trần Thị Lý và cầu vượt nút cầu Trần Thị Lý Ngoài ra, dự án núi Phú Sỹ (biển Xuân Thiều) là một công trình ứng dụng công nghệ đất có cốt trong đó sử dụng lưới địa kỹ thuật để đắp đất lên cao.1.1.3.2 Ưu - nhược điểm của tường chắn đất có cốt

Tường MSE được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong xây dựng Loại kết cấu này có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các kết cấu tường chắn đất khác như:

- Về thi công: thi công nhanh do cốt và vỏ tường được chế tạo sẵn; không yêu cầu công nhân giàu kinh nghiệm có kỹ năng cao trong xây dựng; không yêu cầu nhiều về sự chuẩn bị mặt bằng như đối với thi công các kết cấu tường chắn khác

- Về khả năng chịu lực: phù hợp với các công trình chịu tải trọng động và những công trình chịu tải trọng ngang (lực va đập) lớn; giảm độ lún không đều đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu; phù hợp để gia cố các mái dốc dựng đứng và nền đường đắp cao

- Về mặt mỹ quan: vỏ tường chế tạo sẵn đa dạng về hình dạng nên có thể đáp ứng các yêu cầu về kiến trúc, mỹ quan của từng loại công trình

- Giá thành xây dựng: giảm diện tích chiếm dụng đất; giảm chi phí thi công

do các cấu kiện được chế tạo sẵn (tiết kiệm được 25% đến 50% chi phí xây dựng so với các công trình tường chắn đất bằng bê tông cốt thép thông thường) [2, 3]

Tuổi thọ của tường cao nếu như có các biện pháp bảo vệ kết cấu hiệu quả Bên cạnh nhiều ưu điểm ở trên thì tường MSE có nhược điểm là tuổi thọ công trình

sẽ không cao nếu như công trình xây dựng ở những nơi dễ bị xâm thực do các yếu

tố trong môi trường hoặc vùng có khí hậu khắc nghiệt Ở những nơi này, cốt trong kết cấu tường bị ăn mòn điện hóa (cốt cứng) hoặc bị lão hóa (cốt mềm)

1.1.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về tường chắn đất có cốt

Trong mục này, luận án sơ lược các kết quả nghiên cứu về tường MSE sử dụng cốt kim loại của các nhà khoa học ở trong nước và trên thế giới Các nghiên cứu này có thể chia thành 3 hướng như sau: Hướng nghiên cứu về đặc tính của vật liệu đắp và cốt; Hướng nghiên cứu sự làm việc của tường trên mô hình thực nghiệm

và mô hình số; Hướng nghiên cứu về ăn mòn cốt và tuổi thọ của tường

1.1.4.1 Hướng nghiên cứu về đặc tính của vật liệu đắp và cốt

Vật liệu đắp và cốt là hai thành phần chính trong kết cấu tường MSE Loại vật liệu đắp, tính chất của vật liệu đắp, loại cốt, cường độ cốt, tính chất, hình dạng cốt ảnh hưởng đến tương tác giữa đất - cốt và ổn định nội bộ của tường Đặc tính của vật liệu đắp và cốt được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu nhằm lựa chọn vật liệu phù hợp khi xây dựng tường

Các nghiên cứu về tường MSE sử dụng vật liệu đắp là đất rời loại tốt (cát, sỏi, đá cuội) được đầm chặt và cốt dạng dải kim loại mỏng hoặc các lá nhôm được thực hiện bởi Robert Y.Liang [3], H.Vidal và F.Schlosser [9], Chang và cộng sự [10], Lee và cộng sự [11] Kết quả của các nghiên cứu đã xác định được chiều dài dính bám giới hạn của cốt; chiều cao giới hạn của tường phụ thuộc vào chiều dài cốt, cường độ của cốt và trọng lượng riêng của vật liệu đắp; chiều dài mỗi lớp cốt tối thiểu bằng 4/5 chiều cao của tường

Một số nghiên cứu được thực hiện bằng cách thay đổi loại vật liệu hoặc thay đổi tính chất của vật liệu sử dụng trong tường nhằm xem xét sự phù hợp và hiệu quả đạt được của từng loại vật liệu P Laréal và J Bacot [12], Golam Kibria và cộng sự [13] đã thay đổi kích thước và cường độ của cốt (lá nhôm) để nghiên cứu Christopher [14] nghiên cứu với vật liệu đắp là đá cuội, sỏi, cát, sét phù sa Golam Kibria và cộng sự [13], Mehari T Weldu [15], Trần Hoàng Sơn [16] nghiên cứu trong các trường hợp thay đổi tính chất của vật liệu đắp (thành phần hạt, độ dính bám, hệ số đồng đều Cu, độ ẩm) Beenish Jehan Khan [17] nghiên cứu trong hai trường hợp vật liệu đắp là cát và vật liệu đắp là hỗn hợp cát với lốp xe nghiền nhỏ Các nghiên cứu này xác định được mối tương quan giữa kích thước và độ bền chịu

kéo của cốt với chiều cao tường; sử dụng cát tốt hoặc sỏi làm vật liệu đắp thì sức kháng kéo trong cốt kim loại cao nhất; chứng minh được tính chất của vật liệu (độ

ẩm, hệ số đồng đều Cu) ảnh hưởng đến tương tác đất - cốt (biến dạng và lực kéo trong cốt, ma sát giữa đất - cốt) và chuyển vị ngang của tường; sử dụng vật liệu đắp

là hỗn hợp cát và lốp xe nghiền nhỏ thì chuyển vị của tường giảm rất nhiều với trường hợp chỉ sử dụng vật liệu đắp là cát

Để tăng cường độ và độ bền cho cốt, nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng cốt thép xây dựng thông thường (cốt thép mạ kẽm hoặc không mạ, cốt thép có ngạnh hoặc cốt thép trơn) trong nghiên cứu Các nghiên cứu của Trần Hoàng Sơn [16], Beenish Jehan Khan [17], Schlosser và Guilloux [18], Joshua Aaron Jensen [19], Lê Hồng Long [20] xác định lực kéo trong cốt và chỉ ra hệ số ma sát giữa đất - cốt đối với cốt có ngạnh cao hơn so với cốt trơn, hình dạng và loại cốt, cường độ cốt ảnh hưởng đến tương tác đất - cốt trong tường

* Nhận xét: Các nghiên cứu nêu trên chủ yếu tập trung vào vật liệu đắp là đất rời hoặc vật liệu hỗn hợp đất rời và lốp xe, vật liệu cốt trơn hoặc có ngạnh nhưng chiều cao ngạnh nhỏ Mục tiêu của luận án nghiên cứu đối với vật liệu đắp là cấp phối thiên nhiên (đất đồi) trong khu vực miền Trung Việt Nam và cốt thép xây dựng có

gờ được bố trí ngạnh với chiều cao của ngạnh lớn

1.1.4.2 Hướng nghiên cứu sự làm việc của tường trên mô hình thực nghiệm

và mô hình số

Khi nghiên cứu sự làm việc của tường MSE, các nhà nghiên cứu thường dùng phương pháp thực nghiệm, bán thực nghiệm hoặc phương pháp số Mục đích của việc nghiên cứu này nhằm xác định tải trọng lớn nhất gây phá hoại tường và đánh giá mức độ hư hỏng khi xảy ra các hiện tượng vượt quá giới hạn như chuyển

vị lún hoặc chuyển vị ngang, chuyển vị xoay, tuột cốt, đứt cốt hoặc trượt tổng thể

Trên thế giới, nhiều tác giả đã lựa chọn mô hình thí nghiệm thu nhỏ để nghiên cứu sự làm việc của tường H.Vidal và F.Schlosser [9], R.T Murray và Farrar [21] xác định được mặt phá hoại trong khối đất có cốt có dạng cong và đi qua những vị trí có lực kéo lớn nhất trong các lớp cốt Tuy nhiên, Lee và cộng sự [11],

Hamzeh Ahmadi và cộng sự [22] xác định mặt phá hoại này gần với đường thẳng đi qua chân tường, hợp với phương ngang một góc (450 + φ/2) Bên cạnh đó, các tác giả Christopher [14], Mehari T Weldu [15], Trần Hoàng Sơn [16], Beenish Jehan Khan [17], Lê Hồng Long [20], Hamzeh Ahmadi và cộng sự [22] đã xây dựng các biểu đồ lực kéo và biểu đồ hệ số ma sát giữa đất - cốt trong từng lớp cốt, xác định được chuyển vị ngang của tường thông qua các cảm biến dịch chuyển hoặc thông qua phương pháp đo tốc độ hình ảnh

Để có kết quả nghiên cứu sát với thực tế, Robert Y.Liang [3], Joshua Aaron Jensen [19], chọn mô hình tỉ lệ thực để nghiên cứu sự làm việc của tường Các nghiên cứu xây dựng được biểu đồ lực kéo trong các lớp cốt, xác định được áp lực hông của đất, áp lực đất theo phương đứng, chuyển vị của vỏ tường, hệ số ma sát biểu kiến f* từ 0,55 ÷ 1,55 đối với cốt dạng dải Các tác giả so sánh kết quả nghiên cứu trên mô hình tỉ lệ thực với các thông số thiết kế theo tiêu chuẩn FHWA-NHI-10-025 [2] thì thấy rằng chuyển vị của vỏ tường và lực kéo trong các lớp cốt có sự chênh lệch tương đối lớn

Một số nhà nghiên cứu lắp đặt các thiết bị quan trắc ứng suất, biến dạng và chuyển vị ngay trên các công trình thực tế để nghiên cứu sự làm việc của tường trong thời gian khai thác Chang và cộng sự [10] đã nghiên cứu sự làm việc của tường MSE đầu tiên ở vùng Los Angeles, California Tác giả xác định được mặt phá hoại trong khối đất có cốt tuân theo qui luật của Rankine và có dạng giống với mặt phá hoại trong nghiên cứu của H.Vidal [8], R.T Murray [21] Golam Kibria và cộng sự [13] nghiên cứu đối với tường MSE nằm trên Quốc lộ 342 ở Lancaster, Texas Kết quả cho thấy chiều dài cốt và cường độ cốt là hai yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến chuyển vị ngang của tường

Nhiều nhà nghiên cứu sử dụng các phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn thông qua mô hình số để nghiên cứu sự làm việc của tường Ho và Rowe [23] sử dụng phần mềm AFENA của Carter và Balaam xác định được chiều dài tối ưu của cốt là L = 0,7H (với H là chiều cao tường) Yan Yu [24] dùng phần mềm Flac đã chỉ ra mô đun đàn hồi của lớp móng tường và vật đắp, khả năng chống

cắt của vật liệu đắp, cường độ kháng cắt của cốt đều có ảnh hưởng tỉ lệ thuận đến lực kéo trong các lớp cốt Lê Hồng Long [20], Lalinda Weerasekara [25] so sánh sự phân bố lực kéo trong cốt, so sánh chuyển vị của tường từ nghiên cứu trên mô hình

số Flac 2D và mô hình thí nghiệm thu nhỏ thì thấy có sự tương đồng về kết quả Tuy nhiên, chuyển vị của tường trong nghiên cứu của Beenish Jehan Khan [17] từ phần mềm Plaxis và mô hình thực nghiệm chênh lệch trong khoảng 12% đến 15% Bên cạnh đó, Beenish Jehan Khan [17], Zhang Xu [26] cũng chỉ ra nếu sử dụng vật liệu đắp là vật liệu hỗn hợp có cường độ cao, ma sát lớn hoặc đất yếu thì mặt phá hoại trong khối đất có cốt không giống với mặt phá hoại theo lý thuyết cổ điển của H.Vidal [8], R.T.Murray [21], Lee [11] và cũng không giống với mặt phá hoại theo các tiêu chuẩn hiện hành FHWA-NHI-10-025 [2], BS 8006-1:2010 [7] và TCVN 11823-11:2017 [27]

* Nhận xét: Sự làm việc của tường MSE trên mô hình thực nghiệm và mô hình số

đã được nhiều tác giả nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh về các nội dung Mục tiêu của luận án đề xuất sử dụng vật liệu tại địa phương trong xây dựng tường MSE nên rất cần có những nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình tỉ lệ thực về sự làm việc của tường và có những so sánh với lý thuyết hoặc mô hình số

1.1.4.3 Hướng nghiên cứu về ăn mòn cốt và thời gian phục vụ của tường

Để dự đoán ăn mòn cốt kim loại trong tường MSE nhằm xác định thời gian phục vụ của tường, các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu bằng cách giám sát để

đo trực tiếp trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm hoặc hiện trường; khoan khảo sát đối với các công trình đang sử dụng để thu thập dữ liệu và phân tích dự đoán; sử dụng mô hình số để dự đoán ăn mòn dựa trên các công thức thực nghiệm

Darbin và cộng sự [28], Tony L Beckham [29], SeonYeob Li và cộng sự [30], giám sát tốc độ ăn mòn cốt kim loại trong tường bằng các phép đo trực tiếp trên máy theo dõi điện trở phân cực thông qua cảm biến điện trở Trong các nghiên cứu trên, yếu tố môi trường bao gồm độ ẩm, sulfur trioxide, độ mặn, nhiệt độ và yếu

tố thời gian ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa xét ảnh hưởng của tính chất của vật liệu đắp và cốt đến tốc độ ăn mòn

Phát triển các nghiên cứu ở trên, Dawn E Klinesmith và cộng sự [31], Biao

Hu và cộng sự [32], Prabir K Kolay và cộng sự [33], N Bozorgzadeh và cộng sự [34], Lorena-De Arriba-Rodríguez và cộng sự [35] khoan khảo sát đối với các công trình đang sử dụng và dùng lý thuyết độ tin cậy hoặc các mô hình hồi qui đa biến để xây dựng mô hình dự đoán ăn mòn cốt và đánh giá tính chất vật liệu ảnh hưởng đến thời gian phục vụ của tường, ảnh hưởng của chiều dày mạ kẽm đến độ bền của kết cấu tường MSE Các nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế ở trong các mô hình dự đoán ăn mòn cốt: độ tin cậy của mô hình chưa cao (hệ số tương quan R dao động từ 0,532 ÷ 0,834) và các tham số môi trường không được xem xét đồng [31], chưa xét đến tính chất hóa học của vật liệu đắp và yếu tố môi trường [32], chưa xét đến tính chất của vật liệu cốt [33], mô hình áp dụng trong phạm vi hẹp với các tham số đầu vào bao gồm trở kháng, nhiệt độ, sự kết tủa kẽm, độ ẩm của đất, pH, thời gian, và tổn thất khối lượng do cốt bị ăn mòn [35]

Bên cạnh đó, Victor Padila và cộng sự [36], Phạm Văn Lim [37], Trần Trình Khiêm [38], T-L Chau và cộng sự [5], Shahriar Mirmirani và cộng sự [39] sử dụng

mô hình số để dự đoán tốc độ ăn mòn của cốt mạ kẽm và tuổi thọ của tường MSE Các mô hình đã xây dựng có xét đến tính chất của vật liệu đắp, tuy nhiên mới chỉ kể đến 5 tham số đầu vào (trở kháng, pH, tỉ trọng, nhiệt độ và độ ẩm) và cơ sở dữ liệu

để dự đoán còn ít, chưa đánh giá được hiệu suất của mô hình [36], chưa xem xét một cách đầy đủ các yếu tố tác động từ môi trường, tính chất của vật liệu ảnh hưởng đến ăn mòn [39] Ngoài ra, các nghiên cứu theo tài liệu [5, 37, 38] mới chỉ xét trong trường hợp ăn mòn cục bộ mà chưa xem xét trong trường hợp ăn mòn đều trên tiết diện cốt thép

* Nhận xét: Trong các nghiên cứu trên thì cơ sở dữ liệu dùng để dự đoán ăn mòn cốt trong tường còn rất ít nên độ tin cậy của các mô hình dự đoán chưa cao, chưa xem xét đồng thời và đầy đủ các tính chất của vật liệu đắp, cốt, môi trường trong

mô hình dự đoán Vì vậy, mục tiêu của luận án là nghiên cứu mô hình dự đoán ăn mòn cốt với dữ liệu lớn, hiệu suất mô hình cao và xem xét đồng thời các yếu tố bao gồm vật liệu đắp, cốt, môi trường ảnh hưởng đến thời gian phục vụ của tường

1.2 Vật liệu đắp và cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt

1.2.1 Vật liệu đắp dùng cho tường chắn đất có cốt

Vật liệu đắp tương tác với cốt để tạo ra các hiệu quả khác nhau trong quá trình tường làm việc Độ bền kháng cắt của vật liệu đắp bị ảnh hưởng bởi biến dạng kéo dọc trục của cốt Kích cỡ hạt, hình dạng, độ cứng, tính chất hóa học và pha lỏng trong vật liệu đắp ảnh hưởng đến khả năng làm việc của cốt theo thời gian [7] Do

đó, để tương tác đất - cốt đạt hiệu quả thì vật liệu đắp phải đạt các yêu cầu theo các tiêu chuẩn hiện hành qui định

Độ bền kháng cắt của vật liệu: Khi vật liệu đắp chịu tải trọng nén thì cường

độ kháng cắt được huy động Biến dạng dọc trục tăng lên thì ứng suất cắt của vật liệu đắp tăng dần đến mức tối đa Biến dạng dọc trục vượt quá trị số tối đa thì ứng suất cắt của vật liệu đắp đạt trị số tối thiểu không đổi Đối với mọi loại vật liệu đắp

có ma sát và trong điều kiện biến dạng phẳng điển hình như tường chắn thì biến dạng tương ứng với ứng suất cắt tối đacòn nhỏ Nhiều nghiên cứu xác định ứng suất cắt tối đa của vật liệu đắp có thể được huy động tương ứng với lúc biến dạng dọc trục là 1% hoặc nhỏ hơn [2, 7]

Kích cỡ hạt, hình dạng, độ cứng của vật liệu đắp ảnh hưởng đến độ bền của cốt do vật liệu đắp có thể gây hư hại cốt trong quá trình rải và đầm nén Tính chất hóa học và pha lỏng trong vật liệu đắp có tác động đến độ bền và khả năng chịu tải của cốt (đặc biệt là đặc tính điện hóa của đất có thể ăn mòn cốt kim loại) Vì vậy, đối với vật liệu đắp dùng cho cốt kim loại thì các đặc trưng hóa học và điện hóa được qui định trong giới hạn cho phép [2, 7]

1.2.2 Cốt kim loại dùng cho tường chắn đất có cốt

Cốt kim loại dùng cho tường MSE thường là dải kim loại mỏng, các thanh kim loại tròn hoặc các lưới chắn song Cốt dải mỏng được cấu tạo có bề dày lớn hơn

3 mm, chiều rộng lớn hơn 30 mm (thường dày 5 mm, rộng từ 40 ÷ 70 mm), bề mặt

có thể có gờ hoặc không có gờ Cốt dạng lưới gồm các thanh thép dọc và ngang, làm tăng sức chống kéo tuột của đất nhờ hiệu ứng neo, các khung cốt thường được

bố trí với khoảng cách thẳng đứng Sv giữa các lớp cốt từ 50 ÷ 75 cm [2, 7]

a b

a Cốt dạng dải mỏng; b Cốt dạng lưới (thanh thép tròn)

Hình 1.9 Cốt kim loại trong tường MSE Cốt phải được xem xét mức độ dự trữ đủ an toàn để đề phòng đạt trạng thái giới hạn phá hoại và phải kiểm tra đối với các trạng thái giới hạn sử dụng Các trạng thái này qui định mức độ biến dạng trong cốt không được phép vượt qua Việc thiết

kế để đề phòng phá hoại cần xem xét cả ổn định nội bộ và ổn định ngoài Các vấn

đề ổn định này phụ thuộc vào điều kiện phá hoại cốt do kéo đứt hoặc do suy giảm sức neo bám và phụ thuộc kích thước hình học của khối đất có cốt [2, 7]

Khả năng chịu kéo và cường độ neo bám: Kiểm tra cốt ứng với các giới hạn

sử dụng được biểu thị theo biến dạng kéo dọc trục giới hạn (biến dạng phát sinh trong cốt không được vượt quá trị số giới hạn đó) Sự phá hoại sức neo bám của cốt được đánh giá bằng cách sử dụng cường độ neo bám cực đại nhân với hệ số riêng phần để tạo ra an toàn khi thiết kế [1, 7]

Độ bền và khả năng làm việc theo thời gian: Độ bền là khả năng duy trì các đặc tính cần có trong cả tuổi thọ thiết kế đã lựa chọn Đối với mọi loại cốt, các nhân

tố ảnh hưởng đến độ bền và khả năng làm việc theo thời gian là tải trọng tác dụng, nước, hư hại cốt, chỉ tiêu điện hóa của đất, chất lỏng ăn mòn [1, 7]

Các thông số thiết kế: Đối với cốt kim loại có tính từ biến không đáng kể thì cường độ của cốt ở thời điểm cuối tuổi thọ thiết kế có thể lấy bằng cường độ chịu kéo cực hạn nhân với diện tích tiết diện ngang còn lại của mỗi phần tử cốt Biến dạng dọc trục tổng cộng phát sinh trong cốt không vượt quá 1% trong suốt tuổi thọ thiết kế của công trình [2, 7, 40] Như vậy, vật liệu dùng làm cốt phải có khả năng chịu được lực kéo, khả năng chống lại ảnh hưởng của biến dạng trong khối đắp và

có sức chống ăn mòn nhất định

1.3 Nguyên lý thiết kế và trình tự thi công tường chắn đất có cốt

1.3.1 Nguyên lý thiết kế tường chắn đất có cốt

Thiết kế tường MSE phải tuân theo các nguyên tắc như đối với các công trình chống đỡ đất thông thường, phải xét thêm các tác dụng tương hỗ giữa đất và cốt Thường trong thiết kế phải xét hai vấn đề là ổn định nội bộ, ngoại bộ và ổn định tổng thể Ổn định nội bộ là ổn định của khối đất có cốt (cơ chế làm việc của khối đất có cốt, các ứng suất phát sinh trong khối đất có cốt, tương tác giữa đất - cốt) Ổn định ngoại bộ là ổn định của tường chắn đất và khối đất có cốt sau tường (biến dạng

- chuyển vị của tường, ổn định trượt của khối đất có cốt, ổn định lật của tường)

Mục tiêu thiết kế không để cho kết cấu tường MSE đạt đến trạng thái giới hạn có nghĩa là các trạng thái sau không xảy ra: sụp đổ hoặc hư hỏng nặng, biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, tổn thương dạng khác (hư hỏng nhẹ, đòi hỏi những bảo dưỡng không dự kiến, rút ngắn tuổi thọ thiết kế)

1.3.1.1 Tuổi thọ làm việc

Tuổi thọ của tường MSE là khoảng thời gian mà độ ổn định, độ lún, chuyển

vị ngang, tình trạng cốt trong giới hạn cho phép đảm bảo công trình làm việc an toàn với công năng thiết kế [2, 7, 40] Phần lớn các ứng dụng, tuổi thọ thiết kế lựa chọn cho đơn nguyên cốt, thường bằng tuổi thọ làm việc của công trình [7]

Bảng 1.1 Qui định về tuổi thọ của công trình sử dụng kết cấu tường MSE Loại công

trình

Tường chắn đất các công

trình dài hạn (nền đường)

Tường chắn đất mố cầu

Qui trình/Tiêu chuẩn

1.3.1.2 Hệ số an toàn

Độ lớn của hệ số an toàn ảnh hưởng đến tình trạng kết cấu Hệ số an toàn tổng thể của công trình bao gồm: Hệ số riêng phần phá hỏng (fn) dùng chung cho mọi loại cốt, nó phụ thuộc cấp rủi ro của từng loại kết cấu; Hệ số vật liệu riêng phần cho cốt (fm); Hệ số vật liệu riêng phần cho đất (fms); Hệ số riêng phần về tương tác đất - cốt (hệ số riêng phần sức kháng kéo tuột fp và hệ số riêng phần sức kháng trượt

fs); Hệ số tải trọng riêng phần (hệ số tải trọng riêng phần cho trọng lượng bản thân

ffs, hệ số tải trọng riêng phần cho ngoại tải tĩnh ff và hệ số tải trọng riêng phần cho ngoại hoạt tải fq) Các hệ số an toàn được sử dụng để tính toán thiết kế kết cấu tường MSE trong các nội dung tính tương ứng có liên quan theo các tiêu chuẩn hiện hành qui định [2, 7, 27, 40]

1.3.1.3 Kích thước kết cấu

a Tấm tường (vỏ tường): Tấm tường đủ khả năng chịu lực ngang do cốt truyền tới tại mối nối, chịu ứng suất nén xuất hiện gần bề mặt tường trong quá trình lắp ghép Tấm tường bằng bê tông cốt thép (BTCT), chiều dày của các tấm BT mặt tường tại

vị trí chôn sẵn móc nối cốt và trong vùng ảnh hưởng ứng suất tối thiểu là 140 mm

và 90 mm ở những vị trí khác CT trong vỏ tường chịu lực do tải trọng trung bình truyền cho mỗi tấm, đồng thời bố trí CT chống nứt do co ngót và biến dạng vì thay đổi nhiệt độ Kích thước thông thường của mỗi tấm BTCT làm tường là 1,5 x 1,5 m Chiều cao của tường (H) được qui định như hình 1.10 [2, 7, 27, 40]

b Chiều sâu chôn tường: Chiều sâu chôn tường đảm bảo tường không bị lật, tránh phá hoại cục bộ do vùng lân cận mặt tường xuyên thủng, tránh hiện tượng làm trôi đất trên bề mặt kết cấu Chiều sâu chôn tường tối thiểu (Dm) phụ thuộc vào chiều cao cơ học của tường được qui định như bảng 1.2

Bảng 1.2 Qui định về chiều sâu chôn tường tối thiểu Dm [1, 7]

Độ dốc mái dốc ở

chân tường βs (độ)

00(tgβs = 0)

180(tgβs = 1:3)

270(tgβs = 1:2)

340(tgβs = 1:1,5)

Hình 1.10 Qui ước các kích thước trong tường MSE

c Bố trí cấu tạo cốt

Chiều dài của cốt (L) được qui định chi tiết trong các tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế FHWA-NHI-10-025 [2] , BS 8006-1:2010 [7] và AFNOR EN P94-270:2020 [40] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 11823-11:2017 [27] qui định chiều dài tối thiểu của cốt bằng 0,7H với H là chiều cao của tường

Khoảng cách giữa các lớp cốt theo phương đứng (Sv) thường không thay đổi theo chiều cao tường, bằng bội số của chiều dày đầm nén, từ 0,25 ÷ 0,75 m [1] Tiêu chuẩn FHWA-NHI-10-025 [2] qui định khoảng cách Sv hiệu quả là 0,75 m (bố trí 2 hàng cốt/1 tấm tường cao 1,5 m) và Sv ≤ 0,8 m Ngoài ra, tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 [7] cũng có qui định như sau: Khi L/H < 0,55 thì Sv/H ≤ 0,125; khi 0,55 ≤ L/H < 0,65 thì Sv/H ≤ 0,167; khi 0,65 ≤ L/H < 0,75 thì Sv/H ≤ 0,222

Khoảng cách giữa các dải cốt theo phương dọc tường (Sh) thường bố trí không đổi hoặc mật độ cốt tăng lên theo độ sâu tường, Sh từ 0,5 ÷ 1 m và không lớn hơn 1,5 m Mỗi lưới cốt thông thường gồm 2 đến 6 thanh cốt dọc với khoảng cách

Sh từ 0,15 ÷ 0,2 m và các thanh cốt ngang với khoảng cách từ 0,23 ÷ 0,6 m [2] 1.3.1.4 Ổn định ngoại bộ của kết cấu

Khi làm việc, tường chịu tác dụng của tải trọng và có thể xảy ra hiện tượng mất ổn định lật, trượt, lún hoặc chuyển vị ngang Cần tính toán kiểm tra và đảm bảo các hiện tượng trên nằm trong giới hạn cho phép để tường làm việc an toàn

Sức chịu tải của móng và phá hoại nghiêng (lật): Kiểm tra áp lực do tường gây lên móng phải nhỏ hơn áp lực đáy móng

Ổn định trượt trên móng: Kiểm tra ổn định dài hạn và ngắn hạn tại mặt tiếp xúc giữa đáy khối đắp với bề mặt móng và tại mặt tiếp xúc giữa cốt với vật liệu đắp

Lún đều: Độ lún tổng cộng của kết cấu gồm độ lún của bản thân khối đắp có cốt, độ lún của móng và chuyển vị đứng của tường Đối với kết cấu đắp có cốt được đầm nén chặt, độ lún tổng cộng này không lớn lắm Trường hợp tường MSE có vỏ tường làm bằng BTCT thì độ lún tổng cộng cho phép là 50 mm [2, 7, 27, 40]

Lún lệch: Kết cấu đất có cốt chịu được lún lệch lớn và thông thường lún lệch cho phép xách định theo khả năng chịu lực của mặt tường Ở những chỗ dự đoán lún lệch lớn nên dùng khe nối trượt đặc biệt để liên kết với mặt tường Cho phép chênh lệch độ lún theo chiều dọc là 1/500 chiều cao tường [2, 7, 27, 40]

Chuyển vị ngang: Chuyển vị ngang của tường phụ thuộc vào độ cứng tổng thể của kết cấu, tải trọng đầm nén, loại vật liệu đắp, chiều dài cốt, mối nối gia cường với vỏ tường và dựa trên quan trắc biến dạng của hệ thống mặt tường hoặc nền móng Chuyển vị ngang tổng thể đối với tường MSE không được vượt quá 1/100 chiều cao tường [2, 7]

Lực căng trong cốt lớn vượt quá khả năng chịu kéo làm cốt bị đứt Các cốt dưới chân tường chịu lực kéo lớn nhất nên khả năng bị đứt trước rồi lần lượt đến cốt phía trên [1, 15] Cần tính toán kiểm tra đối với từng lớp cốt để đánh giá khả năng chống đứt cốt, chống trượt cốt trên mặt phẳng ngang của tường như hình 1.11

a Do đứt cốt; b Do tuột cốt

Hình 1.11 Dạng mặt phá hoại tường Khi xảy ra phá hoại do mất ổn định nội bộ, mặt phá hoại (mặt trượt) phân khối đất thành 2 vùng Vùng chủ động, đất đắp có xu hướng dịch chuyển ra phía ngoài, vùng bị động (neo bám), đất đắp có xu hướng đứng yên Vùng chủ động là vùng đất sinh ra áp lực hông nằm ngang mà đúng ra vỏ tường chịu, thay vì thế các thanh cốt thu nhận áp lực ngang dưới dạng lực kéo Mặt phá hoại kéo tuột xuất hiện tại vị trí có lực kéo lớn nhất [1, 15]

1.3.1.6 Ổn định tổng thể

Tường có khả năng bị trượt tổng thể theo cung trượt tròn do trọng lượng bản thân và tải trọng ngoài như hình 1.12 Dựa trên cơ sở tính toán ổn đinh, mỗi trường phái có cách tính khác nhau và đưa ra hệ số ổn định cho phép khác nhau Các tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 [7] và AFNOR EN P94-270:2020 [40] tính toán ổn định theo hai phương pháp: phương pháp khối nêm cân bằng sau tường và phương pháp trọng lực dính kết Các tiêu chuẩn FHWA-NHI-10-025 [2] và TCVN 11823-11:2017 [27] sử dụng phương pháp trọng lực dính kết để tính toán các điều kiện ổn định của tường và hệ số an toàn Fs ≥ 1,5

Hình 1.12 Trượt tổng thể của tường MSE 1.3.2 Trình tự thi công tường chắn đất có cốt

Các bước chính trong trình tự thi công tường MSE gồm: chuẩn bị vật tư thiết bị; chuẩn bị mặt bằng thi công; lắp đặt vỏ tường, hệ thanh chống, rải cốt, nối cốt với

vỏ tường, đắp đất; thi công đỉnh tường, trên đỉnh tường và công tác hoàn thiện 1.3.2.1 Chuẩn bị vật tư thiết bị

- Chế tạo vỏ tường, cốt và các chi tiết liên kết tại xưởng: Vỏ tường phải thỏa mãn các yêu cầu về cấu tạo kích thước, dùng ván khuôn thép đúc vỏ tường, kiểm tra độ chính xác kích thước ván khuôn trước khi đúc

- Chuẩn bị vật liệu đắp: Khảo sát trữ lượng, khả năng được phép khai thác và cự ly vận chuyển đến công trường, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của vật liệu đắp

- Chuẩn bị các thiết bị đầm nén: Tùy thuộc loại vật liệu đắp, chiều dày đầm nén để chọn thiết bị phù hợp đảm bảo độ chặt thiết kế theo yêu cầu

- Chuẩn bị thiết bị để lắp đặt vỏ tường và cốt: Nêm kê chèn, giá kẹp gá tạm, thước kiểm tra độ thẳng đứng.v.v

1.3.2.2 Chuẩn bị mặt bằng thi công

- Đào và thi công móng, kiểm tra móng và các giải pháp gia cố nếu có

- Lắp đặt và thi công hệ thống thoát nước tùy theo yêu cầu thiết kế và làm hệ thống thoát nước tạm trong quá trình thi công

- Rải lớp móng đệm tạo phẳng dưới chân tường bao

- Thiết lập hệ thống định vị và mốc kiểm tra cao độ khi lắp đặt tường

- Thiết lập hệ thống quan trắc lún trong quá trình thi công và sau khi thi công 1.3.2.3 Lắp đặt vỏ tường, hệ thanh chống, rải cốt, nối cốt với vỏ tường và đắp đất

- Chuyên chở cẩu lắp vỏ tường: cần kê, lót để tránh nứt vỡ, bong tróc vỏ tường và các thanh chốt, bản mấu khỏi cong vênh khi vận chuyển Xếp chồng các tấm lên nhau thì phải xếp mặt ngoài các tâm quay xuống dưới, các bản mấu xếp lên trên Dùng các con kê có bề dày lớn hơn phần nhô ra của bản mấu để kê chồng các tấm, không xếp chồng quá 6 tấm/1 đống [1]

- Lắp đặt vỏ tường và hệ thanh chống: Vỏ tường được cẩu lắp theo phương thẳng đứng Vỏ tường lắp sau được điều chỉnh cắm vào các chốt của vỏ lắp trước trong cùng một hàng Dùng hệ thống chống đỡ để giữ ổn định cho vỏ tường khi lắp đặt

mà đắp lùi vào khoảng 30 cm [2]

- Rải các lớp cốt và nối cốt với tường: Sau khi lu chặt và đảm bảo lớp vật liệu đắp phía dưới bằng phẳng thì rải cốt và liên kết cốt với tường bằng bulong hoặc chốt